虚拟数控机床技术的发展与应用
引言
现代制造技术正朝着高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向发展，加工智能化和虚拟制造已成为现代制造业中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高产品国际竞争力的关键技术。目前，全球制造业之间的竞争日趋激烈，企业要赢得竞争，就需要以市场和用户为中心，快速响应市场的需求，以最短的产品开发时间(time)、最优的产品品质(quality)、最低的成本(cost)、最好的服务(service)，即以TQCS去赢得用户和市场。虚拟制造技术就是根据企业的竞争需求，在强调柔性和快速的前提下，于20世纪80年代提出的，并随着计算机，特别是信息技术产业的发展，在90年代得到人们的极大重视，获得迅速的发展。在不长的时间里，已成为企业界、学术界的研究热点之一，是当今国际上科技领域的前沿课题，目前在美、英、日、西欧诸国已经形成了相当规模的新兴产业部门，商品化软件已趋于成熟，应用比较广泛。
虚拟机床(virtualmachinetool)是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域，虚拟数控机床是虚拟制造的执行单元，是虚拟制造的关键基础技术之一。它的最终目的是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，在计算机屏幕上实现加工过程的仿真，以增强制造过程的各级决策与控制能力，优化制造过程。
1 虚拟数控机床的特点及功能
1) 虚拟数控机床应具备的特点
a. 良好的结构：包括三个方面：1)与真实机床相似的结构。具有与真实机床相似的结构使虚拟机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似代替而导致某种结构的失真或丢失；2)机床各模块的颗粒性。虚拟机床各模块的颗粒性使每个模块能彼此独立的被开发和工作，从而增强了虚拟机床的可操作性和可管理性；3)各模块合适的颗粒度。虚拟机床各模块颗粒度的合适与否取决于每个模块的抽象度是否定义合适，以便使虚拟机床既是一个能概括各种类型数控机床的抽象框架，又能方便的挂接具体的模块来仿真某种特定类型的数控机床；
b. 完善的图形接口：完善的图形接口使用户既能像在真实环境中那样完全操作数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度的提高人机融合度；
c. 完全的符号数据接口：完全的符号数据接口能使虚拟机床的各种静止和运行状态以符号数据的形式被外界感知，从而提供了与其他制造软件的无缝链接。外界也能通过输人符号数据对虚拟机床进行控制；
d. 强大的网络支持功能：强大的网络支持功能能使虚拟机床为各种真正的制造资源服务，从而在连接意义上提供与外界制造资源的相互操作性；
e. 标准数据格式：虚拟机床由于采用标准数据格式存储、传输和处理数据因而能够在语义意义上提高与外界制造资源的相互操作性。
虚拟数控机床的功能
虚拟数控机床应该能够仿真不同的加工方法和不同的加工材料，能够完成数控机床的各项操作，逼真地显示数控机床的各种动作，并且能够显示和评估加工结果。因此系统要求具有如下功能：
·模拟加工过程：显示和仿真CNC控制功能、动画加工过程，检查刀具轨迹和干涉、过切、碰撞等并给予警告；
·评估工件品质：显示工件3D实体表面的拓扑关系、尺寸、公差和表面品质；
·估算加工成本：通过仿真加工过程，能进行加工成本的估算；
·加工过程的监控：监控加工过程的各个方面。
2 虚拟数控机床的体系结构
虚拟机床与实际机床一样，可以认为是一组相互连接的活动部件的集合，它们完成要求的相对运动，提供工件和工件刀具系统上相关点的瞬间空间位置关系。因为机床的类型各式各样，品种千变万化，要想能够表达各种机床，就需要采用模块化的原理，定制各种标准的模块，这样经过少量的修改就可以建立各种机床的模型。各模块应该标准化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化、并具有互换性、相容性和相关性，使系统具有开放性和适应性。根据虚拟数控机床的特点与功能，可以将虚拟数控机床系统的功能模块作如下划分(图1)：
图1 虚拟数控机床体系结构
NC编译模块：为了使虚拟数控机床能够识别NC程序，开发了NC编译模块，它的功能是接受数控代码并将其翻译为机床部件、刀具等运动的信息；
运动控制模块：运动控制模块根据NC程序决定机床刀具和各个轴的运动状态，向各个运动部件发送运动指令并采集各轴的反馈信息；
操作面板模块：操作面板模块包括真实数控机床的操作面板按钮功能和虚拟数控机床的菜单；
切削计算模块：根据工件与刀具的相对位置，进行干涉判断，对发生干涉的工件进行切削计算并重新生成工件模型；
机床场景模块：建立虚拟机床的工作环境。
虚拟机床不能脱离实际机床而独立存在，它是真实机床在计算机内的模拟，虚拟机床与真实机床是密不可分的。虚拟机床的结论是需要由真实机床来检验的，只有与真实机床相一致的结论才是正确的结论。
3 虚拟数控机床的的应用及展望
虚拟数控机床的应用将给制造业带来革命性的飞跃。由于虚拟数控机床是数字模型，所以容易实现对数字模型进行显示、分析、传递和迭代更新，为设计提供并行作业的可能，用经济快捷的方式提高产品设计品质，缩短产品开发周期。采用虚拟数控机床技术，可以为产品设计过程中的可制造性分析提供关键数据，能够迅速完成在机床上不方便操作的各项任务，如完成数控程序的调试、测量产品加工误差、评定加工效率和检验干涉碰撞情况等。还可以利用虚拟机床优化切削参数，优化刀具路径，提高机床设备的生产效率。利用机床加工的全过程与用户的交互功能，可以为企业、学校的数控人才培训提供快速、安全且不消耗资源的有效手段，并帮助机床制造商向远程客户逼真地演示其产品。为制造业提供最佳的发展以及为加工过程的优化提供决策依据。虚拟数控机床的网络功能为真正实现远程合作提供保证。
虚拟数控技术是由许多先进学科、先进知识形成的综合技术系统，是一个极具潜力的前沿研究领域。由于多媒体技术和网络技术以及仿真技术的迅速发展，虚拟数控技术将获得更快的发展。虚拟机床是虚拟加工技术的核心，网络化、智能化、集成化是虚拟制造技术的发展方向。虚拟机床软件的发展目标应该是根据国内的现实情况和国外软件的发展趋势，针对具体的机床开发面向工程的实用化小型软件。把某一类型的虚拟机床作为该类型数控机床的附件，提高数控机床的市场竞争力、增加机床产品的附加值。虚拟数控机床的应用，将为制造技术带来勃勃生机，并将虚拟数控机床的研究开发推向一个更加崭新的阶段。
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